结构钢常用焊接方法和焊材.ppt

1、结构钢常用焊接方法和焊材2018年5月18日目录一、常用焊接方法及介绍二、结构钢焊材服役性能匹配问题三、气体保护焊四、焊接材料制造及检验弧焊方法焊接材料手工电弧焊焊条芯药皮埋弧焊实心焊丝（金属粉芯焊丝）焊剂熔炼焊剂陶质焊剂烧结焊剂气体保护焊 熔化极气保焊焊丝 保护气体实心粉芯 纯二氧化碳混合气体非熔化极气保焊或焊丝纯氩气上述三种以电弧作为热源的焊接方法，是人类在为满足对钢结构制造质量和生产效率不断提高的要求下，依次发明和发展出来的。一、常用焊接方法及介绍一、常用焊接方法及介绍1、手工电弧焊、手工电弧焊 当人们意识到电弧焊接冶金过程中，为了避免大气的侵害，必须要有良好的保护时，电焊条首先被发明出

2、来。利用药皮被电弧加热时产生的二氧化碳气体和熔融渣，能对电弧和焊接熔池进行有效地保护。尽管出现较早，但由于使用灵活，可达性好，现在依然在使用，在先进的电子科技还没有应用于电焊机制造的年代，金属结构的焊接生产主要由手工电弧焊完成。缺点显而易见：1）少_由于施焊技能较难掌握，好焊工少，焊接耗材中占比少；2）慢_焊接电流小于200安培，生产效率低，在特殊场合使用躺焊焊条补偿效率；3）差_劳动条件差(焊接烟尘)，焊缝质量差，“挥汗如雨，焊花飞溅”，含水量不易控制；4）费_丢弃焊条头。2、埋弧焊、埋弧焊1930年代，前苏联发明了埋弧焊，比较突出的优点是：1）效率高 粗丝、多丝、大电流400900A/丝；

3、2）质量好 焊剂最大限度地隔绝了空气的侵害，有效地保护了电弧和熔池；3）劳动条件好 机械化操作，无烟尘弧光。缺点是不能用于非平焊位置、电弧热效率低。上述两种弧焊方法，都无一例外地采用了非金属固态物质矿石粉混合物作为保护介质，矿石原材料源自自然界，不可避免地带有危害于焊缝金属性能的杂质元素，当钢结构强度级别不断提高，韧性变得越来越宝贵时，有非金属固态物质参与冶金反应的焊接方法，就越发难于应用到金属结构的焊接制造中。前苏联曾尝试采用螯合提纯技术，制造人工矿石粉取代天然原材料，以降低埋弧焊焊缝金属中的杂质含量，在实验室取得了良好的结果，但可能是成本问题无法推广。3、应运而生的气体保护焊、应运而生的气

4、体保护焊 随着近些年机械电子科技不断进步，电焊机从最初的动铁式经过旋转式、可控硅式、晶体管式等弧焊机，已经发展到了现在的第五代逆变式焊机，称之为弧焊逆变器。焊机动态性能的提高以及电弧控制技术的发展，为气体保护焊大面积工业化应用提供了有利条件。1950年代工业国家首先出现气体保护焊，1970年代二氧化碳焊引入国内。用气体作为电弧焊接保护介质，对于钢结构制造是一个质的飞跃，带来两个方面的重大进步l没有非金属固态物质参与电弧冶金反应，切断杂质元素通过保护介质进入焊缝金属的途径，提高焊缝金属纯净度，改善焊接接头韧性；l高强钢焊接冷裂纹产生的重要因素是焊缝中的扩散氢含量，其主要来源于水。气体保护焊方法中

5、，焊接材料只有金属焊丝和气体，没有非金属固态物质，不像焊条和焊剂，制造前原材料要除水，制造中要高温烘烤，使用前还要加热去除吸附水分。而气体保护焊只需控制了焊丝表面的吸附水和保护气体中的含水量，焊缝金属中扩散氢低含量控制就变得比较容易。二、结构钢焊材服役性能匹配问题二、结构钢焊材服役性能匹配问题 不言而喻，焊接代替铆接是近代工程技术领域的一大进步，但自从出现了焊接钢结构，与之相伴的两件事也跟随而来：l钢种研发之初就要考虑其将来使用时焊接性；l焊材服役性能匹配问题就成了焊接工程技术人员始终面临的艰巨任务。上次培训内容主要讲了钢材的焊接性，下面所讲的焊材服役性能匹配，除了基本内容的讲述外，还会插入一

6、些我遇到的实际工程实例，以此来了解此前曾经发生过的关于焊材匹配的错误和教训。1.1.焊材与结构钢性能匹配要求主要有以下几点焊材与结构钢性能匹配要求主要有以下几点焊材与结构钢性能匹配要求主要有以下几点焊材与结构钢性能匹配要求主要有以下几点:1)力学性能_强度、机械疲劳、韧性(低温韧性)2)耐蚀性能_常温(大气、海洋)、高温(氧化)，由材料表面性能体现3)耐热性能_冷热疲劳、高温强度4)以及耐辐照脆性、临氢脆性，等等 除力学性能之外的其它三项性能，焊材(焊缝金属)与母材金属基本遵循合金匹配原则l力学性能不遵循合金匹配原则，其原因是绝大多数焊接钢结构中的母材是变形加工+热处理组织状态，而焊缝金属则是

7、纯粹铸态。众所周知，任何一种合金钢的这两种状态，其力学性能差异是极大的，铸态焊缝的强度和韧性都远不及母材，因此，根据不同的焊接工艺，来确定焊接材料的合金成分及其制造方法，成为焊材研发的重点工作内容。2焊材研发工作焊材研发工作 焊材研发是一项周期较长的系统性工作，其合金系统的确定主要根据所要求配套的母材性能，而各种合金元素含量的调整则主要依据所采用不同的焊接工艺方法，这是由于不同焊接工艺方法的有各自不同的元素过渡系数，影响过渡系数的主要因素是稀释率和烧损量。简要介绍韧性、强度和抗裂性三方面的工作方法。1)调整焊缝金属韧性 提高焊缝金属韧性可以从两方面入手，一方面是增添韧化合金如Mn、Ni以及微合

8、金元素，以改善组织，细化晶粒；另一方面也是更加有效的方法是提高纯净度，首当其冲的是焊丝钢冶炼纯度。由于焊丝钢在后续焊材加工制作和焊接施工中，不可避免地会有杂质混进焊缝金属中，因此对于焊丝钢冶炼质量要求是:不能低于其配套母材的冶炼2)调整焊缝金属强度 大多数钢结构件中的焊缝金属是在铸态下使用的，无法利用在钢材制造中使用的变形和热处理进行强化，因此，焊接为了弥补铸态金属强度不足，不得已在焊材合金成分中加入更多的强化元素，如C、Cr、Mo、V等，常常遇到的结果是，随着强度的提高，韧性却会进一步下降，冷裂敏感性提高，抗裂性能或其它性能会相应恶化。实例1 北京燕山石化一厂4台1500立方米9%Ni钢球形

9、乙烯储罐，建造于上世纪90年代初。9%Ni钢钢板厚度3035mm，根据球罐结构设计，原配套的电焊条OK69-45（伊萨牌号）强度不足，经焊条厂商修改，提高碳含量并添加钒，提供非标OK69-45焊条用于球罐焊接制造。建造完成后放置半年，做球罐保温前外部表面探伤时发现：焊缝金属出现大量网状裂纹，深度不大于3mm，下半球比上半球严重，外表面比内表面严重，裂纹随放置时间延长而发展。为此，调集了国内的焊接专家联合会诊，经过近一年的试验、研究，找出产生裂纹的原因，制定解决方案。结论 原OK69-45焊条的熔敷金属为奥氏体组织，修改后的焊条所添加的元素，在奥氏体基体中形成弥散碳化物来弥补强度不足，但由于碳的

10、过量加入，碳化物在奥氏体晶界析出，形成晶界贫铬区，在化工厂潮湿酸性大气环境中，产生了晶界腐蚀。解决方案 采用国产氮化物强化的奥氏体焊材，在清除表面裂纹的原焊缝金属上，敷焊表面层，遮盖易腐蚀的焊缝金属。经过数年的努力，虽然修复后的球罐维持原压原温使用，但却付出了巨大代价。我参与其中收获颇丰，不仅认识到了解决工程中焊材配套问题的复杂性和难度，也学习到了利用专业知识发现问题、解决问题的方法。3)提高焊接接头抗冷裂性 裂纹类缺陷在高强钢焊接接头中是最为危险的工艺缺陷，而高强度钢焊接时，随着碳当量的升高，焊接冷裂纹敏感性增大。可以从焊接材料和焊接工艺方法相结合的角度来解决。采用含水量低的焊接工艺材料，可

11、以有效控制扩散氢含量。l各种焊接方法含水量由低向高排列为：实心焊丝气体保护焊埋弧焊手工焊条；l埋弧焊剂中含水量由低向高排列：熔炼焊剂高温烧结焊剂陶质焊剂。4)调整电弧工艺性能l手工电焊条和埋弧焊这样一类的焊接材料，主要靠改变焊接材料中非金属元素的种类和数量，调整电弧工艺性能,例如交流电弧过零点再燃弧性能、电弧燃烧稳定性、液态金属流动性、电弧穿透能力以及脱渣性。l气体保护焊，尤其是非熔化极气体保护焊，依靠改变焊丝中元种类和数量以及保护气体中的成分来调整电弧工艺性能，其作用是极其有限的，而利用逆变焊机电弧控制的功能是这方面的有效补充。3.3.本企业目前结构钢供货和将来关注的领域本企业目前结构钢供货

12、和将来关注的领域本企业目前结构钢供货和将来关注的领域本企业目前结构钢供货和将来关注的领域l造船业:大型集装箱船、大型油轮、钻井船(海上平台)l建筑业:高层建筑、大跨度场馆、高参数吊机l交通运输业:大跨度桥梁、特大型港机、l能源业:油气长输管道、巷道采运、火电核电大容量高参数压力容器 为满足社会进步和经济发展的需求，这些领域使用的钢结构，无不向着高强高韧方向发展。在高强高韧这对矛盾中，难度更大的是高韧性，即在高强状态下，韧性的微小提升都是可贵的，焊材与母材同理。三、气体保护焊三、气体保护焊1.焊接施工性能巨大优势焊接施工性能巨大优势l全位置焊接，可实现机械手操作，质量稳定性好，劳动环境大幅改善，

13、由焊材本身引起电弧工艺性能变化小，更多更复杂的工艺性能由逆变焊接机实现：l冷金属焊接浅熔深，变极性。能够严格控制电弧能量分配给母材的比例，堆焊、热敏感性金属焊接l激光-MIG复合焊通过激光焊机与MIG焊机精确的协同控制，实现大厚度钢板（3040mm）一次焊接完成l串列电弧双丝气体保护焊接高效填充，2030kg/h 近年来依靠逆变焊机实现电弧工艺性能调整取得了巨大进步，例如当年我读大学时，学校教授取得全国获奖的科研成果，是解决不锈钢焊条药皮发红开裂问题，采取措施包括：改变药皮成分、提高药皮导电性、改变药皮套筒形状以提高焊芯熔化速度。现在各种高合金成分的焊缝金属熔敷过程，利用逆变焊机精准的波形、脉

14、冲控制功能，所能达到的调整电弧稳定性、焊道成形的效果，都是传统工艺无法比拟的。2.焊缝金属韧性焊缝金属韧性焊接材料中，除了填充金属焊丝外，只有作为保护介质的气体，与电焊条焊接和埋弧焊相比，没有了非金属固体物质参与电弧冶金反应，影响焊缝金属韧性的夹杂物大幅度减少。不同气体对于促进焊缝金属韧性的种类由低至高排列为：纯CO2、富氩混合气体、纯Ar，可以看得出来这是由于气体的氧化性逐渐降低导致的，保护气体的氧化性不仅会产生氧化物，还会导致合金元素烧损。这里给人们重要的启示是，焊丝钢的冶炼要求是极高的，其中杂质不应该高于其配套钢材的含量。实例2 上世纪70年代，我国开展高级别舰船钢研发储备，我焊接研究室

15、承担了与钢种配套的三种焊接材料研发任务。l电焊条l埋弧焊熔炼焊剂和陶质焊剂l气体保护焊 埋弧焊的焊缝金属韧性（低温冲击功数值）始终不能稳定在较好的水平上，不得不中途放弃，最终只有手工电焊条和气保焊走到最后完成配套。这也是用科研实践及其代价获得的宝贵经验，感悟深刻。3.抗裂性抗裂性 通常我们用小铁研试验来衡量焊接接头的冷裂纹敏感性。当焊缝金属的合金成分、焊接工艺规范及实验板厚确定后，试验结果只决定于焊缝金属中的扩散氢含量，而焊接材料中的水分则是扩散氢的主要来源。显然，气体保护焊有着优越的抗裂性，只有气体作为保护介质参焊接冶金反应与，其中的水分含量易于有效控制。当低合金高强度钢的强度级别达到了70

16、0MPa以上时，即便是采用气体保护焊方法进行焊接施工，控制焊材中的水分都应该是非常严格的。实例2中焊接材料，气保焊中的气体露点为-60C以下，成品焊丝中氢含量3ppm，手工焊条熔敷金属扩散氢含量3ml/100g(水银法)。四、焊接材料制造及检验四、焊接材料制造及检验 无论是焊条、埋弧焊还是气体保护焊，作为填充用的金属材料丝，其加工过程相同，都经过冶炼、轧制盘条、丝材拉拔等过程，不赘述。仅从保证焊缝金属韧性和抗冷裂角度，分别讲述各自的制作过程和检验要求。1.焊条药皮制作焊条药皮制作l只要矿石粉、水玻璃来源和批次发生了变化，就要进行下列过程检验：检验焊条药皮配方中各组分矿石粉的元素成分（无法分析结构）、有害元素含量，测定个矿石粉中水分含量。l药皮焊条制作过程：称重配粉干混湿混粉料压团压涂焊条（药皮与焊条芯结合）磨头尾印制牌号低温烘干高温烘烤包装l主要检验包括：燃弧工艺性能（与配方微调循环反馈）检验、熔敷金属化学成分分析，焊缝金属扩散氢测定（低氢型焊条）2.埋弧焊烧结焊剂制作埋弧焊烧结焊剂制作 经过熔炼焊剂、陶质焊剂的发展过程，烧结焊剂现在主要应用在中等强度级别韧性要求较高的钢结构埋弧焊中。